轉(zhuǎn)轍機接點組使用穩(wěn)定性簡析

吳志明，黃 菊，周勝利

（中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務(wù)段，合肥 230011）

鐵路大量應(yīng)用的轉(zhuǎn)轍機主要有交、直流2種，其中以ZD6系列為代表的大多數(shù)為直流轉(zhuǎn)轍機，ZDJ9、ZYJ7、S700K-C大多為交流轉(zhuǎn)轍機。接點組是轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部重要組成部分，既接通道岔動作電路，又接通道岔表示電路。道岔動作產(chǎn)生的電弧，會導(dǎo)致接點表面產(chǎn)生金屬絡(luò)合物，使接點片受電腐蝕燒損；接點的使用壽命主要有兩方面影響因素，接點環(huán)與靜接點片之間的機械磨損和電腐蝕損傷。同時道岔頻繁使用以及過車產(chǎn)生的振動對接點組造成沖擊，加速機械磨損，其性能的好壞直接影響道岔實際應(yīng)用，為此從轉(zhuǎn)轍機動態(tài)過程和靜態(tài)使用2種工作狀態(tài)對接點組使用穩(wěn)定性進行研究分析，為設(shè)備改進和現(xiàn)場維修提出針對性意見。

1 轉(zhuǎn)轍機動態(tài)過程對接點組影響

根據(jù)實際情況，轉(zhuǎn)轍機動態(tài)過程分為轉(zhuǎn)轍機動作過程及過車振動兩方面,下面進行分析。

1.1 轉(zhuǎn)轍機動作過程產(chǎn)生接點電弧影響分析

接點組在道岔電路中等同于機械式開關(guān)設(shè)備，用觸頭來開斷電路電流。在大氣中開斷電路時，只要電壓超過12～20 V，被開斷的電流超過0.25～1 A，在觸頭間隙就會產(chǎn)生電弧；電弧的產(chǎn)生會加速接點片的損傷以及老化，影響接點片的材料特性以及化學(xué)特性；ZD6型轉(zhuǎn)轍機在現(xiàn)場運用過程中，由于其電機使用直流電，其特性是負載部分越大，工作電流就越大?，F(xiàn)場使用的ZD6型直流轉(zhuǎn)轍機工作電流一般在2 A左右，此時電弧會灼傷接點表面，并在接點表面產(chǎn)生導(dǎo)電性能不良的絡(luò)合物。S700K-C型轉(zhuǎn)轍機接點組設(shè)計與ZD6轉(zhuǎn)轍機接點組不同，本文不納入分析。

1.1.1 接點電弧產(chǎn)生原理

正常情況下空氣不導(dǎo)電，但當(dāng)空氣在足夠大的電壓以及足夠小的間隙之間，會產(chǎn)生電火花。因為兩端電壓在距離足夠的情況下會產(chǎn)生強電場，強電場會將空氣介質(zhì)擊穿，產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)轍機動作過程中，當(dāng)閉合的接點在剛分離時，動接點環(huán)與靜接點片之間有160 V電壓，并且剛分離時其間隙足夠小，轉(zhuǎn)轍機靜接點片（陰極）會出現(xiàn)高溫炙熱點，此時會導(dǎo)致節(jié)點片產(chǎn)生電子發(fā)射。由于此時動靜接點之間的間隙很小，使靜接點片與動接點環(huán)之間產(chǎn)生很強的電磁場，從靜接點片（陰極）表面逸出的電子，在強電磁場的作用下，向動接點環(huán)（陽極）運動，導(dǎo)致靜接點與動接點環(huán)間隙中帶電質(zhì)點瞬間增多，接點間隙中溫度升高，同時在有外加電壓的作用下，接點之間的間隙被擊穿，形成開關(guān)電弧，如圖1所示。

圖1 電弧形成時節(jié)點片狀態(tài)Fig.1 Strip state when arc forms

日常中，空氣中導(dǎo)通電路開關(guān)，當(dāng)接通電壓超過20 V，接通、斷開電流超過1 A，在電氣接點間就會產(chǎn)生電弧。如果在電弧產(chǎn)生時，電路中的最小電流小于某一特定值，此時只能產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換過程中自動開閉器在動作時會出現(xiàn)肉眼可見的電火花。

在轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換過程中，因為電弧會在動靜接點之間產(chǎn)生短時高溫，會促使動靜接點表面生成一層表面膜。而接點片之間的電弧，在一定條件下又會擊穿這層表面膜，同時因為接點之間溫度會逐漸下降，此時金屬—氣體的各種化合物都會獲得穩(wěn)定區(qū)域，在穩(wěn)定區(qū)域相互重疊時，會在動靜接點表面產(chǎn)生一層混合物，或者產(chǎn)生絕緣性能很強的絡(luò)合物。因此動靜接點表面的燒蝕及接點上產(chǎn)生的表面膜會間接影響轉(zhuǎn)轍機表示電路的接通，在表示系統(tǒng)中影響更大。

1.1.2 電弧以及絡(luò)合物的預(yù)防

接點系統(tǒng)在斷開瞬間，接點系統(tǒng)中動靜接點之間滿足電弧形成的電壓、電流條件。因為電弧的產(chǎn)生以及電弧會對接點系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響，電弧導(dǎo)致靜接點片上形成導(dǎo)電性能不良的絡(luò)合物，會影響轉(zhuǎn)轍機靜態(tài)下，表示電壓的變化。而接點電弧的形成與接點形狀和材質(zhì)、轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部環(huán)境介質(zhì)息息相關(guān)。

電弧產(chǎn)生的強度和接點材料直接相關(guān)，采用特殊合金金屬制作轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)。建議采用熔點高，導(dǎo)熱系數(shù)好且耐高溫金屬作為接點材料?？梢越档徒狱c間電弧產(chǎn)生的高溫環(huán)境，減少對接點片表面的灼傷，同時能夠減少電弧產(chǎn)生的強度。

改進接點系統(tǒng)與保持轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部環(huán)境。如果轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部濕氣較重，會增加接點片之間間隙的導(dǎo)電性能，導(dǎo)致電弧強度增強。同時改進接點系統(tǒng)，使接點接通斷開和溝通時間縮短，也能很好的預(yù)防電弧的產(chǎn)生。

1.2 過車振動對轉(zhuǎn)轍機接點組使用穩(wěn)定性影響

ZD6型轉(zhuǎn)轍機接點為片彈簧結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)轍機在靜態(tài)情況下，接點靜載荷狀態(tài)工作，靜接點片發(fā)生斷裂失效的情況極少發(fā)生。廠家生產(chǎn)接點在成型加工、熱處理、強壓試驗等過程中會提前加入預(yù)應(yīng)力保證接點使用質(zhì)量，但是由于日常維護過程中接點調(diào)整不當(dāng)會引入各種殘余應(yīng)力，在頻繁過車振動狀態(tài)下，片彈簧不斷的受到?jīng)_擊載荷，在長期使用過程中彈性性能不斷釋放，片彈簧隨著使用周期的延長會發(fā)生彈力不足和變形現(xiàn)象。研究動靜接點的結(jié)構(gòu)，以及通過材料力學(xué)分析，能夠更好掌握接點系統(tǒng)內(nèi)部變化性質(zhì)，為日常維護提供更好的指導(dǎo)。為方便研究接點系統(tǒng)，本文將單個動靜接點簡化為材料力學(xué)研究模型，簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動接點環(huán)打入靜接點片過程量化分析Fig.2 Quantitative analysis of the process of moving contact ring driving into static contact strip

如圖2所示，假設(shè)動接點質(zhì)量為m、重量為P的物體，以水平速度v打入靜接點片，靜接點片長l，彎曲剛度EI，計算接點片的最大沖擊載荷Fd以及最大撓度Δd。靜接點片的質(zhì)量和動接點環(huán)打入時的變形忽略不計，根據(jù)能量守恒定律，動接點環(huán)的動能全部轉(zhuǎn)化為靜接點片的彈性應(yīng)變能，由此可以計算出接點最大沖擊力以及最大位移。

根據(jù)能量守恒定律可得公式（1）、（2）、（3）：

其中Ek為動接點的沖擊動能，Vk為靜接點片彈性應(yīng)變能。

其中最大擾度，自由端在集中載荷作用下擾度為：

由公式（4）分析可知，沖擊載荷與沖擊體質(zhì)量與沖擊速度相關(guān)；當(dāng)沖擊質(zhì)量、與接點片長一定時，沖擊速度與沖擊載荷成線性相關(guān)；當(dāng)沖擊速度v達到一定程度時，不論沖擊體的質(zhì)量大小，都可能引起彈簧沖擊端的接觸點塑性變形。因此，接點彈簧理論剛度一般不超過其自身材料許用強度應(yīng)力值的22%，以減小沖擊載荷對其影響。

此外，通常緊固螺栓的松動失效分兩個過程，材料松動期以及結(jié)構(gòu)松動期，其中材料松動期內(nèi)主要是由塑性變形引起，結(jié)構(gòu)松動主要是由緊固螺栓與螺母直接發(fā)生相對運動。為避免轉(zhuǎn)轍機動接點沖擊載荷對靜接點片產(chǎn)生接觸點的塑性變形，以及對接點系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)松動影響，所以日常緊固螺栓到位以后，還需要定期檢查螺栓松動情況，防止松動失效。

2 轉(zhuǎn)轍機靜態(tài)使用對接點組影響

ZD6型轉(zhuǎn)轍機的表示電路中，溝通道岔表示的電源電壓為交流110 V左右，靜態(tài)下溝通表示電路中的電流只有幾十毫安。對轉(zhuǎn)轍機靜態(tài)下接點系統(tǒng)的接觸狀態(tài)及接觸電阻的要求比較高。同時由于轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)在接通、開斷的過程中，動接點對靜接點存在一定的沖擊，該沖擊會直接造成動接點環(huán)、靜接點片的磨耗、損傷，間接情況下會改變靜接點片的材料學(xué)特性。接觸電阻變化是另外一個對靜態(tài)表示電壓影響較大的因素，接點表面清掃不良以及接點表面保護膜磨損會造成表示電壓波動。

2.1 接點接觸電阻

接觸電阻是電接點材料的基本性能指標(biāo)之一，如果使用不當(dāng)或者設(shè)計不合理，會造成接點接觸電阻不符合電路要求，造成無法使用。轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)在設(shè)計時希望接點的接觸電阻盡可能小并且能夠長期保持穩(wěn)定。接點的接觸電阻除了與接點的壓力有直接關(guān)系，還與接點的材料、構(gòu)成形狀、接通電流的性質(zhì)、強度，以及接點使用頻率有關(guān)。

在材料及接點形狀等選定后，接觸壓力成為控制接觸電阻的主要因數(shù)，接觸電阻RC與接觸到壓力FC之間有如下關(guān)系：

公式（6）中，K為系數(shù)，與接點的電阻率、剛度、表面的粗糙度及表面膜構(gòu)成等電性能相關(guān)；n為指數(shù)，主要與觸點接觸形式及表面膜厚度、機械性能相關(guān)。

如公式（6）所示，接點接觸電阻RC與接點壓力FC直接相關(guān)，所以接點調(diào)整首要對接點壓力進行調(diào)整，同時需要關(guān)注接點本身電特性以及材料學(xué)特性。日常維修中接點壓力FC主要與接點的調(diào)整相關(guān)；如上所述系數(shù)K與接點的電阻率、剛度、表面的粗糙度及表面膜構(gòu)成等電性能相關(guān)，日常轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部環(huán)境以及機外振動都會對其相關(guān)電性能產(chǎn)生影響。

2.2 接點壓力調(diào)整不當(dāng)

日常使用中接點接觸壓力小、動接點組曠動大、靜接點磨耗大、設(shè)備安裝處氣候潮濕、設(shè)備安裝處過車震動頻繁等情況都會導(dǎo)致接點接觸不良。

接點接觸不良常見有：靜接點片與動接點環(huán)部分接觸（點接觸）、靜接點片兩側(cè)壓力不均，長期使用會導(dǎo)致單邊靜接點片磨耗嚴(yán)重?，F(xiàn)場實際作業(yè)中常見管內(nèi)接點點接觸，導(dǎo)致直流電壓波動情況，如圖3、4所示。

圖3 接點點接觸 Fig.3 Point contact of contact

2.3 轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部環(huán)境導(dǎo)致的接觸電阻變化

轉(zhuǎn)轍機在室外受到天氣、環(huán)境以及安裝位置等影響，特別是氣溫影響，冬天的低溫結(jié)冰，以及夏天轉(zhuǎn)轍機內(nèi)高溫等影響，對轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)的耐候性也是一個考驗，轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)主要是機內(nèi)進潮氣以及機內(nèi)氣溫影響導(dǎo)致動靜接點出現(xiàn)氧化；同時如果轉(zhuǎn)轍機操縱次數(shù)少，長期靜態(tài)貼合溝通表示電路，在電流以及機內(nèi)環(huán)境下也會產(chǎn)生“電蝕”，導(dǎo)致接觸電阻的變化。

圖4 接點不良導(dǎo)致表示電壓波動 Fig.4 Voltage fluctuations due to poor contacts

當(dāng)電流流過金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體本身會發(fā)熱，導(dǎo)體材料表面會產(chǎn)生氧化反應(yīng)。如果在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部有水汽會加快反應(yīng)的程度與速度。金屬的氧化過程為吸附、擴散、化合。這些化合物包括氮化物、硫化物、鹵化物、碳化物、氫氧化合物等。氧化物的形成會影響接點的電阻。

同時，金屬材料會在電接觸處形成表面膜，表面膜對電接觸電阻影響很大，日常一定要定期檢修清除。表面膜主要有幾種：塵埃膜、吸附膜、有機膜、無機膜。例如常見的銅暴露在空氣中，表面容易形成氧化銅無機表面膜，這種無機表面膜電導(dǎo)率很小，會直接導(dǎo)致接點接觸不良；其中塵埃膜及吸附膜都可以通過機械方法消除掉，所以單邊過車的轉(zhuǎn)轍機，也需定期操縱試驗。

3 轉(zhuǎn)轍機接點組優(yōu)化建議

根據(jù)上文分析，為提高轉(zhuǎn)轍機在動態(tài)、靜態(tài)應(yīng)用環(huán)境下接點組穩(wěn)定性和可靠性，相關(guān)研究單位和廠家可在以下3方面開展優(yōu)化工作。

1) 改進接點金屬材質(zhì)。根據(jù)接點接觸壓力和接點機械壽命的要求，在用的轉(zhuǎn)轍機接點組中，接點材質(zhì)主要采用單一金屬構(gòu)成，或者采用單一金屬表面鍍金屬處理，可以使用更高材料特性的合金金屬來替代。

2) 減小電弧對轉(zhuǎn)轍機接點的影響。轉(zhuǎn)轍機接點可采用導(dǎo)電性好、熔點高、抗氧化能力強、耐高溫合金金屬作為接點材料。

3) 在轉(zhuǎn)轍機接點組中，優(yōu)化接點組機械結(jié)構(gòu)，使得動接點快速地與靜接點分離，抑制接點電弧形成的環(huán)境。

4 轉(zhuǎn)轍機接點組的日常維護要點

據(jù)本文分析，總結(jié)現(xiàn)場經(jīng)驗，轉(zhuǎn)轍機接點組日常維護檢查要點如下：

1）加強對接點接觸壓力的檢查、動接點組曠動、靜接點磨耗等接點組狀態(tài)不良的日常檢查，按照標(biāo)準(zhǔn)，接點壓力在8～10 N之間，接點兩側(cè)壓力是否均勻等；

2）通過日常絕緣測試以及開蓋檢查，對機內(nèi)進潮情況進行檢查，防止接點出現(xiàn)氧化變黑情況；

3）通過監(jiān)測調(diào)閱及時發(fā)現(xiàn)表示電壓波動情況，及時對轉(zhuǎn)轍機機內(nèi)接點組靜接點片進行排查處理；

4）定期檢查緊固螺栓松動情況，防止螺栓松動失效；

5）檢修所日常入所修加強對接點組整體性能進行評估，提高現(xiàn)場運用質(zhì)量。

5 結(jié)束語

隨著中國鐵路里程的不斷增加，越來越多轉(zhuǎn)轍設(shè)備在現(xiàn)場運用，對現(xiàn)場轉(zhuǎn)轍機接點組使用穩(wěn)定性及可靠性要求很高，現(xiàn)場維修精準(zhǔn)性也有更高的要求。本文結(jié)合現(xiàn)場工作經(jīng)驗，以及日常轉(zhuǎn)轍機接點組在動態(tài)過程以及靜態(tài)使用中的影響因素分別做出定性分析，為相關(guān)研究單位和廠家在轉(zhuǎn)轍機接點組優(yōu)化方面提供相關(guān)建議。同時結(jié)合現(xiàn)場維護經(jīng)驗，歸納出轉(zhuǎn)轍機接點組日常維護要點，以供現(xiàn)場人員參考使用。